用于車載USB供電的NCV8852（一）

一前言

在目前的車載娛樂系統(tǒng)中，USB接口已經(jīng)成為系統(tǒng)的標(biāo)配。隨著大電池容量的便攜設(shè)備的流行，做為車載充電接口的USB電源，需要提高更大的電流以滿足設(shè)備的需要。目前主流方案中，單個(gè)USB口的負(fù)載能力需要達(dá)到2.5A。車載USB系統(tǒng)的架構(gòu)為：從汽車蓄電池取電，經(jīng)過降壓電路后得到5V的穩(wěn)定電源，提供給USB的VBUS。汽車蓄電池的電壓并不是一個(gè)穩(wěn)定的電壓，其變化范圍是非常大的，以小型乘用車為例，其蓄電池電壓典型值為13V，電壓范圍為9~16V，在啟停等惡劣情況下，會(huì)低至6V，甚至更低。不少整車廠對USB電源有著非常嚴(yán)苛的要求，6V電池電壓下要保證5V輸出，考慮到輸入端的反極性保護(hù)及線損，USB電源的輸入端電壓會(huì)更低。這對車載USB電源的設(shè)計(jì)是個(gè)挑戰(zhàn)。

Buck電路是最常用的降壓開關(guān)電源。圖1所示為非同步的Buck電路。

圖1.非同步buck電路結(jié)構(gòu)其工作原理為，當(dāng)上管S1開通時(shí)，電源VIN向負(fù)載供電，電感L1儲(chǔ)能，電感上的電壓為VIN-VO.當(dāng)上管S1關(guān)閉后，電感L1向負(fù)載提供能量，電感上的電壓為-VO.圖二所示為電流連續(xù)模式下的BUCK電路的工作原理及波形。根據(jù)電感伏秒平衡可以得到

…………（1）

最后可以解出


圖2.電流連續(xù)模式下的非同步buck的工作原理常用的BUCK電路，出于成本考慮，會(huì)選用N溝道MOSFET.但是在車載USB電源的應(yīng)用中，成本較高的P溝道MOSFET卻更有優(yōu)勢。

根據(jù)公式2，如果需要實(shí)現(xiàn)在VIN=5.7V下，保證VO=5V.那么最大占空比為，

88%只是理想情況下的理論計(jì)算值。實(shí)際中，需要考慮續(xù)流二極管D1的壓降，開關(guān)管S1的導(dǎo)通壓降，以及電感L1的直流阻抗的壓降，如圖3所示。

開關(guān)管閉合時(shí)，不考慮電流紋波，電感上的電壓為：

…………（3）

其中，IO為輸出電流，Rdson為上管MOSFET的導(dǎo)通電阻，DCR為電感的直流阻抗。

開關(guān)管管斷開時(shí)，不考慮電流紋波，電感上的電壓為：

…………（4）

VD為二極管的正向壓降

圖3.考慮寄生參數(shù)的非同步Buck電路工作原理根據(jù)電感的伏秒平衡，可以得到實(shí)際的占空比為：

…………（5）

取VIN=5.7V，VO=5V，IO=2A，VD=0.3V， Rdson=50m？， DCR=70m？，可以計(jì)算所需要的占空比為：

如果選擇N溝道MOSFET做為開關(guān)S1，驅(qū)動(dòng)電壓要高于VIN，需要用自舉電路，通過每個(gè)周期對自舉電容充電來驅(qū)動(dòng)NMOS，這種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在如此大的占空比的應(yīng)用中問題很多。而采用P溝道MOSFET，通?？梢宰龅?00%的占空比，即常開。在常開的情況下，我們可以得到：

…………（6）

取VO=5V，IO=2A，VD=0.3V， Rdson=50m？， DCR=70m？，可以得到該情況下，輸入電壓最低可為：

二?；贜CV8852的車載USB電源設(shè)計(jì)

NCV8852是一款外接P溝道MOSFET的非同步BUCK控制器。輸入電壓可高達(dá)44V，適用于12V蓄電池系統(tǒng)。采用峰值電流控制，系統(tǒng)易于穩(wěn)定，響應(yīng)快?？赏ㄟ^在ROSC管腳外接電阻將工作頻率設(shè)定在100kHz到500kHz.圖4為NCV8852的典型應(yīng)用電路。ISNS管腳檢測上管電流，用于峰值電流控制以及過流保護(hù)。COMP管腳為誤差放大器的輸出，外接RC電路以補(bǔ)償環(huán)路。

圖4. NCV8852的典型應(yīng)用電路用NCV8852設(shè)計(jì)USB電源，輸入電壓范圍VIN=5.7~16V，典型值VIN_TYP=12V，輸出電壓VO =5V，輸出電流IO=2.5A，工作頻率fs=170kHz. Buck電路工作的最惡劣條件為輸入電壓最高時(shí)，此時(shí)其電流紋波最大，峰值電流最高。

1.設(shè)定工作頻率NCV8852的工作頻率，可根據(jù)如下公式設(shè)定：

…………（7）

當(dāng)設(shè)置為170kHz時(shí)，將ROSC開路即可。

2.占空比最高工作電壓下，占空比最小為：

3.選擇電感

電感主要有紋波電流ΔI決定。通常將ΔI設(shè)定為典型輸入電壓下，最大輸出電流的30%~50%，這里取為30%.





考慮30%的裕量，選取電感的直流電流大于3.2A，飽和電流大于3.9A.選取WURTH電感744770122，感值22uH，直流電阻45m？，最大直流電流4.1A，最大飽和電流5A. 4.選取電流檢測電阻

…………（11）

VCL：過流門限電壓，為100mV.ICL：過流保護(hù)電流值，設(shè)定限流值為最大峰值電流的1.3~1.5倍。

選取25m？采樣電阻，過流保護(hù)值設(shè)為4A. 5. MOSFET選擇MOSFET承受的最高電壓為VINMAX ，考慮到拋負(fù)載保護(hù)，選取耐壓40V以上的MOS.MOSFET的損耗，可由以下公式估算，導(dǎo)通損耗：

tON， tOFF為MOSFET開通和關(guān)斷時(shí)間。

ISINK：為驅(qū)動(dòng)下拉電流，NCV8852的驅(qū)動(dòng)下拉電流典型值為200mA.

ISRC：為驅(qū)動(dòng)的輸出電流，NCV8852的驅(qū)動(dòng)輸出電流典型值為200mA

選取ONSEMI的NVTFS5116PL，耐壓60V，導(dǎo)通電阻Rdson=52m？@VGS=10V， QGD=8nC，封裝u8FL，參考熱阻（芯片結(jié)溫到環(huán)境溫度）47OC/W.由QGD可先計(jì)算出MOSFET的開通關(guān)斷時(shí)間為：

計(jì)算MOSFET功耗：在最高輸入電壓下

TA_MAX為最大環(huán)境溫度，車載USB電源一般要求為85oC.150oC為最大結(jié)溫。

在最低輸入電壓下

MOSFET的結(jié)溫為

6.續(xù)流二極管的選擇續(xù)流二極管上的最大反向壓降為VINMAX ，流過二極管的最大峰值電流為2.96A，流過二極管的最大平均電流為

…………（18）

建議二極管正向電流為流過二級(jí)管的平均電流的1.5倍。這里選取ONSEMI的MBRA340, 最大正向平均電流為3A， 反向耐壓40V， SMA封裝，參考熱阻為81oC/W。2.5A，100oC結(jié)溫時(shí)的正向?qū)▔航导s為0.32V

二極管損耗（忽略寄生電容產(chǎn)生的損耗）為：